析出強(qiáng)化，以其優(yōu)良的強(qiáng)化效果成為物理冶金的基礎(chǔ)，已有一百多年的歷史。這種方法通常采用共格和納米尺寸的析出相，因?yàn)榉枪哺裎龀鱿嘤捎谂c基體不相容而在能量上變得起伏，并提供微不足道的強(qiáng)化效果，甚至導(dǎo)致脆性。

日前，來自韓國高等技術(shù)研究院的Pyuck-Pa Choi & 韓國高麗大學(xué)的Seok Su Sohn等研究者提出了納米和半共格析出相的剪切帶驅(qū)動彌散析出，顯示出顯著的強(qiáng)韌化效果。相關(guān)論文以題為“Shear band-driven precipitate dispersion for ultrastrong ductile medium-entropy alloys”發(fā)表在Nature Communications上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-25031-6

在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中，努力開發(fā)具有超高強(qiáng)度和足夠均勻延展性的材料，是一項(xiàng)迫切的挑戰(zhàn)。該目標(biāo)通常是通過設(shè)計(jì)無序的基體負(fù)責(zé)延展性，有序相作為沉淀阻礙位錯運(yùn)動來達(dá)到的。這種所謂的析出強(qiáng)化，特別是當(dāng)引入與基質(zhì)相共格的、結(jié)構(gòu)相似的第二相時，在抑制延性犧牲方面是非常有效的。共格性，使析出相在納米尺度上均勻分布，產(chǎn)生共格應(yīng)變場和反相邊界強(qiáng)化。例如，在無序的FCC基體中，由L12有序面心立方(FCC)相組成的Co基或Ni基高溫合金中。然而，有序相形成元素的過度合金化，可能會導(dǎo)致形成結(jié)構(gòu)上與拓?fù)浞忾]填充(TCP)基體不同的相，如σ相、μ相和Laves相，導(dǎo)致在粗糙的微觀尺度上由于共格性的喪失而在晶界上的不均勻分布。這種顯微結(jié)構(gòu)使得合金在承重應(yīng)用中容易發(fā)生災(zāi)難性失效。因此，非共格沉淀被認(rèn)為是有害的，要通過合金元素的精細(xì)控制和熱機(jī)械處理加以抑制。

為了克服基體中異相的嚴(yán)重脆性，一種可行的方法是通過避免與基體形成非共格界面來控制半共格析出相。半共格析出相的界面能比非共格析出相低，降低了它們的粗化程度，而在納米尺度上的均勻分布，可以通過在晶格中引入額外的形核位點(diǎn)來體現(xiàn)，正如在低密度鋼和鋁合金中報道的那樣。

此前，為了實(shí)現(xiàn)研究者的設(shè)計(jì)理念并開發(fā)具有良好延展性的超高強(qiáng)度合金，研究者選擇了一種等原子三元Co-Ni-V合金作為模型基體系統(tǒng)。這種中熵合金(MEA)是單相結(jié)構(gòu)的多主元合金(MPEAs)或高熵合金(HEAs)的一個亞類，由于嚴(yán)重的晶格畸變，其屈服強(qiáng)度達(dá)到~1GPa，拉伸延展性達(dá)到38%。這一特性僅僅是由于FCC組織的基體，在平均~2 μm晶粒尺寸下的固溶和晶界強(qiáng)化所致。然而，進(jìn)一步提高CoNiV合金的力學(xué)性能是具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)閭鹘y(tǒng)工藝中由于工藝窗口有限，晶粒的額外細(xì)化受到限制。

在這方面，析出強(qiáng)化是一個有吸引力的可進(jìn)一步改善力學(xué)性能得候選手段。近年來，通過析出強(qiáng)化的方法開發(fā)MPEAs的研究不斷進(jìn)行，多項(xiàng)研究表明，均勻分布在FCC基體中的L12納米顆粒，在保持中等延性的同時，顯著提高了強(qiáng)度。大多數(shù)的研究，都是利用共格析出相，但還沒有嘗試通過采用與基體不同的半共格析出相來改善性能。

在此，研究者提出了一個基于CoNiV的MEA，可以通過形成半共格納米沉淀物和熱機(jī)械處理，使它們均勻地分散在晶格中加強(qiáng)。為了實(shí)現(xiàn)這種材料，根據(jù)密度泛函理論(DFT)計(jì)算，在FCC矩陣中加入~6.25 at% Al，形成L21有序體心立方(BCC)相。采用常規(guī)的冷軋工藝，在材料中引入足夠的點(diǎn)陣缺陷，隨后進(jìn)行熱處理，利用點(diǎn)陣缺陷附近儲存的能量，促進(jìn)析出相的形成和再結(jié)晶。在高位錯密度的幫助下，材料加工定制析出相的尺寸和形態(tài)，允許有效強(qiáng)化，導(dǎo)致顯著的強(qiáng)度-塑性平衡。該方法表明，結(jié)構(gòu)上不同的析出相(由于其強(qiáng)化作用或?qū)ρ有缘牟焕绊懣梢院雎圆挥?jì))通常被避免，可以為開發(fā)高強(qiáng)度延性結(jié)構(gòu)材料提供有用的設(shè)計(jì)概念。

圖1 材料和工藝設(shè)計(jì)。

圖2 隨著熱處理溫度的升高，微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

圖3中熵Al0.2CoNiV合金在800°C下熱處理1小時的微觀結(jié)構(gòu)演化。

圖4 合金的室溫力學(xué)性能。

圖5 高角環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）圖像顯示了Al0.2VCoNi合金在850°C下退火1小時的變形結(jié)構(gòu)。

在此，研究者設(shè)計(jì)的合金其獨(dú)特的超高強(qiáng)度和延展性，是由于納米沉淀物沿微剪切帶精細(xì)分散和半共格的微結(jié)構(gòu)修飾所致。由NTs和SFs束組成的微剪切帶作為異質(zhì)形核點(diǎn)，有效地阻止了粗大和非共格沉淀在晶界的形成，而粗大和非共格沉淀對強(qiáng)化的影響微乎其微。這種合金設(shè)計(jì)和工藝路線能夠改變沉淀的尺寸、形態(tài)和分布，導(dǎo)致強(qiáng)度-塑性平衡達(dá)到1587 MPa，比先前報告的HEA和MEA高26.7%。這項(xiàng)工作提出了一種利用HEA和MEA中結(jié)構(gòu)不同的沉淀物的方法，其中多主元素共存，因此可以形成各種類型的有序金屬間相。